航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修技術(shù)研究

摘 要：航空領(lǐng)域復(fù)合材料用量不斷增加，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修研究相對滯后。本文概述并分析了航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修技術(shù)的現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹了現(xiàn)階段使用的航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修技術(shù)：目視檢查及無損檢測定位損傷；綜合考慮，確定維修區(qū)域和維修方法；維修后檢測。

關(guān)鍵詞：航空 復(fù)合材料 維修

中圖分類號：V25文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0100-02

近年來，復(fù)合材料在航空中的研究主要集中于用先進(jìn)復(fù)合材料制造承受大載荷的主承力結(jié)構(gòu)。隨著飛機(jī)上復(fù)合材料用量的增加，對于復(fù)合材料制造、裝配和維修的要求也相應(yīng)提高。其中滿足功能性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的維修技術(shù)對復(fù)合材料的應(yīng)用起到了制約作用。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修的目的是在最短的時(shí)間和最少的花費(fèi)條件下修復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性，得到和原來結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度相匹配的結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持增加的重量盡可能小。

相對于復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用來說，復(fù)合材料維修技術(shù)的相關(guān)研究、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的建立工作是相對滯后的。復(fù)合材料的特性決定了其在沖擊后容易產(chǎn)生裂紋和分層，因此大量復(fù)合材料部件在不可避免地會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)缺陷或損傷，必須進(jìn)行及時(shí)維修以減少生產(chǎn)中部件的報(bào)廢率，并提高部件使用完好率，在保證安全的同時(shí)降低復(fù)合材料的使用成本。因此，復(fù)合材料構(gòu)件維修的重要性不言而喻。

相對于金屬結(jié)構(gòu)的損傷而言，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷往往是同一構(gòu)件的經(jīng)常性或周期性損傷，而且復(fù)合材料的損傷檢查和檢測需要經(jīng)過特殊培訓(xùn)的特殊人員進(jìn)行，復(fù)合材料維修需要先進(jìn)的維修和檢測設(shè)備，所以復(fù)合材料的維修成本更高；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修技術(shù)相對滯后，維修過程和材料體系尚不完善，復(fù)合材料修理完成后的質(zhì)量難以檢測，因此復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)修理方法具有局限性。

出于對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修成本、可操作性、安全性等因素的綜合考慮，目前實(shí)際在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修時(shí)通常遵循以下思路：首先先評估可能對復(fù)合材料造成損傷的因素對復(fù)合材料的影響，確定損傷的程度、范圍；然后確定維修區(qū)域和維修方法；最后對維修后的復(fù)合材料進(jìn)行檢測。

2 復(fù)合材料損傷的確定

復(fù)合材料的損傷大多由以下原因產(chǎn)生：固化過程中產(chǎn)生的空隙分層或尺寸的偏離；飛機(jī)或零部件在地面狀態(tài)受到由于操作失誤而引起的損傷，常見的如工具掉落沖擊損傷；由于環(huán)境引起的損傷。復(fù)合材料的維修應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性，所以出現(xiàn)對復(fù)合材料可能造成損傷的因素時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行目測檢查，評估是否需要無損檢測的方法確定損傷。當(dāng)可能存在空隙、分層、脫膠和芯層損傷等超出可視范圍的損傷時(shí)，或者在返修中某些操作如鋪層移除、打磨、切割等可能引起零件更多損傷時(shí)，應(yīng)進(jìn)行無損檢測。以下為幾種常用的無損檢測方法。

敲擊檢查：可用來檢查零件表面三到四層空洞、分層或脫膠。

透射法：在零件一側(cè)放置一傳感器發(fā)送超聲波，由另一側(cè)的傳感器接收，當(dāng)超聲波經(jīng)過可能的分層、空隙、脫粘或其它結(jié)構(gòu)變化時(shí)，超聲波能量會(huì)衰減。該方法是最常用的首次檢查方法，且須用次要方法確定缺陷類型。

脈沖回波法：超聲波信號被零件背面或內(nèi)部不規(guī)則處反射后被表面?zhèn)鞲衅鹘邮铡Ｐ盘栁恢煤驼穹母淖儽硎静牧系臓顩r。該方法僅適用于層合板結(jié)構(gòu)，對多孔的零件不適用。

X射線照相檢驗(yàn)：把對X光敏感的薄膜放X光源對面的零件上。該方法最適用于確定或定位蜂窩夾層板的夾雜或芯層缺陷，也可用于確定層合板的某些空隙。

3 復(fù)合材料維修的影響因素

飛機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)工程，復(fù)合材料性質(zhì)又具有特殊性，所以在選擇維修方法時(shí)應(yīng)綜合考慮材料、強(qiáng)度、工藝、裝配和器材等相關(guān)因素：

破損零件的定位：零件定位（例如是否在飛機(jī)上，裝配時(shí)的開敞性和是否具有互換性等）以及該零件與其它組件和維修過程的關(guān)系會(huì)影響到維修方案的確定。如損壞零件部位裝袋的限制，加熱表面的限制，修理工具的可達(dá)性等重要信息，都會(huì)對一個(gè)合理修理方案的確定產(chǎn)生重要影響。

超出可視范圍的損傷：某些損傷（如由沖擊引起的）可能超出可視范圍，也有可能傳導(dǎo)到可視范圍外，因此需要通過無損檢測來確定損傷的類型、程度和損傷的位置，為維修區(qū)域的確定提供參考。

器材：設(shè)備（烘箱、熱壓罐、測試工具等）的可用性和可達(dá)性會(huì)對車間執(zhí)行修理的能力產(chǎn)生影響。

相鄰的材料：破損區(qū)域附近的材料會(huì)影響修理類型的選擇。所以在選擇維修方法時(shí)除了考慮損傷材料的類型、種類和性質(zhì)外，也需要考慮附近其它零部件的性能。

重量及結(jié)構(gòu)的平衡性：復(fù)合材料的修理可能會(huì)增加重量和并對零件的重心產(chǎn)生不利影響，選擇維修方法時(shí)應(yīng)盡量減小這些影響。

強(qiáng)度：載荷和結(jié)構(gòu)外形會(huì)影響修理方法的選擇。載荷會(huì)通過修理區(qū)域進(jìn)行傳遞，所以需考慮纖維的取向和樹脂類型及固化要求以建立適當(dāng)?shù)膫髁β肪€，并確保復(fù)合材料有合適的剛度（剛度太大增加了重量，太小則不足以承受載荷）。另外，由于緊固區(qū)域的锪窩、修理時(shí)產(chǎn)生的空隙等問題存在，強(qiáng)度會(huì)有所降低，選擇修理方法時(shí)應(yīng)考慮這些內(nèi)容。

4 復(fù)合材料維修的方法

在確定復(fù)合材料的維修方法時(shí)，首先需要確定維修區(qū)域的尺寸。現(xiàn)階段復(fù)合材料維修一般采用階梯式挖補(bǔ)的方法（如圖1），故為了便于除去鋪層，外面一層除去的區(qū)域應(yīng)比內(nèi)層大，最外層除去的鋪層區(qū)域和除去的鋪層數(shù)決定了維修區(qū)域尺寸，所以通常維修區(qū)域的尺寸要大于損傷區(qū)域。確定維修區(qū)域尺寸，首先要根據(jù)工程圖紙決定在要除去的維修區(qū)域的每層鋪層的材料（規(guī)格，類型，種類，級別和成型方法等），然后決定每層鋪層除去的尺寸和搭接層的尺寸及鋪層數(shù)，最后根據(jù)鋪層的數(shù)量和尺寸決定維修區(qū)域的尺寸。

維修的方法根據(jù)損傷的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式、損傷形式和損傷程度而有所不同。下面為針對不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式采取的修理方法：

層壓板損傷：層壓板結(jié)構(gòu)常見的損傷形式包括：變形（皺折、波紋或凹陷等）、外來物損傷（劃傷、擦傷等）、分層、貧膠、空洞或夾雜等。對于程度不嚴(yán)重，在鋪層表面（未傷及纖維）的損傷，如不嚴(yán)重的表面變形、表面損傷、表面貧膠等，一般采用的修理方法為打磨掉損傷的部分，用樹脂填充。對于程度較嚴(yán)重，深入至層合板內(nèi)部（傷及纖維）的損傷，如較嚴(yán)重的表面變形、傷及纖維的外來物損傷、分層、空洞或夾雜等，則需要除去鋪層至損傷部位，重新進(jìn)行鋪層。

夾芯層壓板損傷：夾芯層壓板如果損傷未擴(kuò)展到芯層，則可按層壓板損傷處理。若損傷擴(kuò)展至芯層，需除去鋪層至露出芯層，將破損的芯層用新的代替，或者注入灌注材料代替，再重新進(jìn)行鋪層。

孔損傷：對于復(fù)合材料上孔的損傷（孔位或孔徑錯(cuò)誤），需消除已鉆孔，重新定位鉆孔。消除已鉆孔時(shí)，可視情況用灌注材料填補(bǔ)孔洞，在表面鋪覆補(bǔ)片（損傷程度較小），或除去部分鋪層后再填補(bǔ)孔洞，重新進(jìn)行鋪層（損傷程度較大）。

5 復(fù)合材料維修的檢測

目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修后的檢測方法與復(fù)合材料生產(chǎn)驗(yàn)收時(shí)基本相同，主要包括目視檢查、無損檢測和試片檢測的方法。但是，以上檢測方法都不能直接證明維修的可靠性。目視檢查和無損檢測可保證維修的質(zhì)量，但不能直接證明維修方法的可靠性。試片測試由于無法破壞損傷的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，僅能對試片進(jìn)行破壞后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估，很難真正準(zhǔn)確地判斷出修理件的實(shí)際質(zhì)量。故復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修可靠性的檢測仍需試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)語

隨著航空領(lǐng)域復(fù)合材料用量的增加，對于復(fù)合材料維修的要求也相應(yīng)提高，但現(xiàn)階段復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修研究相對滯后，制約了復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，其后續(xù)研究仍需開展。在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修時(shí)，應(yīng)綜合考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修成本、可操作性和安全性等因素：首先通過目視檢查及無損檢測確定損傷部位、形式和程度；然后考慮材料、強(qiáng)度、工藝、裝配和器材等相關(guān)因素，確定合理的維修區(qū)域和維修方法；最后對維修后的復(fù)合材料進(jìn)行檢測以保證其安全性。

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